Избирательный усилитель
Владельцы патента RU 2465720:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") (RU)
Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в устройствах фильтрации радиосигналов телевидения, радиолокации и т.п. Техническим результатом является повышение добротности АЧХ усилителя и его коэффициента усиления по напряжению на частоте квазирезонанса f0. Устройство содержит между выходом устройства (13) и общей шиной источников питания включенный по переменному току первый (15) дополнительный резистор, при этом база второго (7) входного транзистора соединена с выходом (13) устройства, эмиттер второго (7) выходного транзистора связан с первой (4) шиной источника питания через второй (16) токостабилизирующий двухполюсник и через последовательно соединенные второй (17) дополнительный резистор и второй (18) корректирующий конденсатор соединен с эмиттером первого (1) входного транзистора. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.
Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в устройствах фильтрации радиосигналов телевидения, радиолокации и т.п.
В задачах выделения высокочастотных сигналов сегодня широко используются интегральные операционные усилители со специальными элементами RC-коррекции, формирующими амплитудно-частотную характеристику резонансного типа [1, 2]. Однако классическое построение таких избирательных усилителей (ИУ) (RC-фильтров) сопровождается значительными энергетическими потерями, которые идут в основном на обеспечение статического режима достаточно большого числа транзисторов, образующих операционный усилитель [1, 2]. В этой связи достаточно актуальной является задача построения избирательных усилителей на двух-трех транзисторах, обеспечивающих выделение узкого спектра сигналов с достаточно высокой добротностью резонансной характеристики Q=2÷10.
Известны схемы усилителей, интегрированных в архитектуру RC-фильтров (ИУ) на основе биполярных транзисторов, которые обеспечивают формирование амплитудно-частотной характеристики коэффициента усиления по напряжению в заданном диапазоне частот Δf=fв-fн [3-8]. Причем их верхняя граничная частота fв иногда формируется инерционностью транзисторов схемы (емкостью на подложку), а нижняя fн определяется корректирующим конденсатором.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является избирательный усилитель, представленный в патенте фирмы Analog Devices US 6.734.737, fig.7. Он содержит первый 1 входной транзистор, база которого связана с источником сигнала 2, а эмиттер через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, коллектор через первый 5 вспомогательный резистор связан со второй 6 шиной источника питания, второй 7 входной транзистор, коллектор которого связан со второй 6 шиной источника питания через второй 8 вспомогательный резистор, первый 9 выходной транзистор, эмиттер которого связан с коллектором второго 7 входного транзистора, а база подключена к цепи согласования потенциалов 10, второй 11 выходной транзистор, эмиттер которого связан с коллектором первого 1 входного транзистора, а база подключена к цепи согласования потенциалов 10, инвертирующий усилитель тока 12, согласованный с первой 4 шиной источника питания, вход которого соединен с коллектором первого 9 выходного транзистора, а токовый выход подключен к коллектору второго 11 выходного транзистора и выходу устройства 13, первый 14 корректирующий конденсатор, включенный по переменному току между выходом устройства 13 и общей шиной источников питания.
Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что он не обеспечивает высокую добротность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и коэффициент усиления по напряжению К0>1 на частоте квазирезонанса (f0).
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении добротности АЧХ усилителя и его коэффициента усиления по напряжению на частоте квазирезонанса f0. Это позволяет в ряде случаев уменьшить общее энергопотребление и реализовать высококачественное избирательное устройство.
Поставленная задача решается тем, что в избирательном усилителе, фиг.1, содержащем первый 1 входной транзистор, база которого связана с источником сигнала 2, а эмиттер через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, коллектор через первый 5 вспомогательный резистор связан со второй 6 шиной источника питания, второй 7 входной транзистор, коллектор которого связан со второй 6 шиной источника питания через второй 8 вспомогательный резистор, первый 9 выходной транзистор, эмиттер которого связан с коллектором второго 7 входного транзистора, а база подключена к цепи согласования потенциалов 10, второй 11 выходной транзистор, эмиттер которого связан с коллектором первого 1 входного транзистора, а база подключена к цепи согласования потенциалов 10, инвертирующий усилитель тока 12, согласованный с первой 4 шиной источника питания, вход которого соединен с коллектором первого 9 выходного транзистора, а токовый выход подключен к коллектору второго 11 выходного транзистора и выходу устройства 13, первый 14 корректирующий конденсатор, включенный по переменному току между выходом устройства 13 и общей шиной источников питания, предусмотрены новые элементы и связи - между выходом устройства 13 и общей шиной источников питания включен по переменному току первый 15 дополнительный резистор, база второго 7 входного транзистора соединена с выходом 13 устройства, эмиттер второго 7 выходного транзистора связан с первой 4 шиной источника питания через второй 16 токостабилизирующий двухполюсник и через последовательно соединенные второй 17 дополнительный резистор и второй 18 корректирующий конденсатор соединен с эмиттером первого 1 входного транзистора.
Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения.
На фиг.3 показана схема ИУ в соответствии с п.3 формулы изобретения.
На фиг.4 показана схема ИУ по фиг.2 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на фиг.5 - частотная зависимость коэффициента усиления по напряжению ИУ по фиг.4.
На фиг.6 показана схема ИУ по фиг.3 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов, а на фиг.7 - частотная зависимость коэффициента усиления по напряжению ИУ по фиг.6.
Избирательный усилитель, фиг.2, содержит 1 входной транзистор, база которого связана с источником сигнала 2, а эмиттер через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, коллектор через первый 5 вспомогательный резистор связан со второй 6 шиной источника питания, второй 7 входной транзистор, коллектор которого связан со второй 6 шиной источника питания через второй 8 вспомогательный резистор, первый 9 выходной транзистор, эмиттер которого связан с коллектором второго 7 входного транзистора, а база подключена к цепи согласования потенциалов 10, второй 11 выходной транзистор, эмиттер которого связан с коллектором первого 1 входного транзистора, а база подключена к цепи согласования потенциалов 10, инвертирующий усилитель тока 12, согласованный с первой 4 шиной источника питания, вход которого соединен с коллектором первого 9 выходного транзистора, а токовый выход подключен к коллектору второго 11 выходного транзистора и выходу устройства 13, первый 14 корректирующий конденсатор, включенный по переменному току между выходом устройства 13 и общей шиной источников питания. Между выходом устройства 13 и общей шиной источников питания включен по переменному току первый 15 дополнительный резистор, база второго 7 входного транзистора соединена с выходом 13 устройства, эмиттер второго 7 выходного транзистора связан с первой 4 шиной источника питания через второй 16 токостабилизирующий двухполюсник и через последовательно соединенные второй 17 дополнительный резистор и второй 18 корректирующий конденсатор соединен с эмиттером первого 1 входного транзистора.
На фиг.2 в соответствии с п.2 формулы изобретения коэффициент передачи по току инвертирующего усилителя тока 12 близок к единице.
На фиг.3 в соответствии с п.3 формулы изобретения коэффициент передачи по току инвертирующего усилителя тока 12 превышает единицу, причем в схему введен третий 22 выходной транзистор, эмиттер которого соединен с эмиттером второго 11 выходного транзистора, база подключена к цепи согласования потенциалов 10, коллектор связан с коллектором второго 11 выходного транзистора, а эмиттер второго 11 выходного транзистора соединен со второй 6 шиной источника питания через дополнительный резистор 23. В данной схеме инвертирующий усилитель тока 12 выполнен на транзисторах 19, 20 и р-n переходе 21.
Рассмотрим работу ИУ, фиг.2.
Комплексный коэффициент передачи по напряжению Ky(jf) избирательного усилителя по фиг.2 определяется соотношением, которое можно получить с помощью методов анализа электронных схем:
где f - частота сигнала;
Q - добротность АЧХ избирательного усилителя;
К0 - коэффициент усиления ИУ на частоте квазирезонанса f0;
f0 - частота квазирезонанса.
Причем:
где C18, C14 - емкость конденсаторов 18 и 14;
- входное сопротивление i-го транзистора в схеме с общей базой;
φт≈25 мВ - температурный потенциал;
Iэi - статический ток эмиттера i-го транзистора;
αi<1 - коэффициент усиления по току эмиттера i-го транзистора.
Ki12 - коэффициент усиления по току инвертирующего усилителя тока 12.
Если выбрать τ1=τ2, R15=R17+h11.1+h11.7, то уравнения для Q (6) и К0 (5) существенно упрощаются:
Это позволяет за счет целенаправленного выбора параметров элементов, входящих в формулу (7), получить заданные значения Q (8) и K0 (9).
Данные теоретические выводы подтверждают графики на фиг.5, фиг.7.
Таким образом, заявляемое схемотехническое решение характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления на частоте квазирезонанса f0 и повышенными величинами добротности, характеризующей его избирательные свойства.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент US 4.600.893, fig.6.
2. Патент US 6.734.737, fig.2.
3. Патент US 6.448.853, fig.5.
4. Патент US 4.406.990.
5. Патент US 4.649.352, fig.1.
6. Патент US 5.091.701, fig.1.
7. Патентная заявка US №2002/0196079, fig.1.
8. Микросхема «Операционный усилитель» АД817,
(http://www.ddrservice.info/files/Integrated-circuits/A/ad/ad817.pdf) fig.31.
1. Избирательный усилитель, содержащий первый (1) входной транзистор, база которого связана с источником сигнала (2), а эмиттер через первый (3) токостабилизирующий двухполюсник связан с первой (4) шиной источника питания, коллектор через первый (5) вспомогательный резистор связан со второй (6) шиной источника питания, второй (7) входной транзистор, коллектор которого связан со второй (6) шиной источника питания через второй (8) вспомогательный резистор, первый (9) выходной транзистор, эмиттер которого связан с коллектором второго (7) входного транзистора, а база подключена к цепи согласования потенциалов (10), второй (11) выходной транзистор, эмиттер которого связан с коллектором первого (1) входного транзистора, а база подключена к цепи согласования потенциалов (10), инвертирующий усилитель тока (12), согласованный с первой (4) шиной источника питания, вход которого соединен с коллектором первого (9) выходного транзистора, а токовый выход подключен к коллектору второго (11) выходного транзистора и выходу устройства (13), первый (14) корректирующий конденсатор, включенный по переменному току между выходом устройства (13) и общей шиной источников питания, отличающийся тем, что между выходом устройства (13) и общей шиной источников питания включен по переменному току первый (15) дополнительный резистор, база второго (7) входного транзистора соединена с выходом (13) устройства, эмиттер второго (7) выходного транзистора связан с первой (4) шиной источника питания через второй (16) токостабилизирующий двухполюсник и через последовательно соединенные второй (17) дополнительный резистор и второй (18) корректирующий конденсатор соединен с эмиттером первого (1) входного транзистора.
2. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что коэффициент передачи по току инвертирующего усилителя тока (12) близок к единице.
3. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что коэффициент передачи по току инвертирующего усилителя тока (12) превышает единицу, причем в схему введен третий (22) выходной транзистор, эмиттер которого соединен с эмиттером второго (11) выходного транзистора, база подключена к цепи согласования потенциалов (10), коллектор связан с коллектором второго (11) выходного транзистора, а эмиттер второго (11) выходного транзистора соединен со второй (6) шиной источника питания через дополнительный резистор (23).
